行业

追求更快转速

SKF正在加速推进新能源汽车的研发工作。凭借针对电驱系统新推出的高速球轴承1.8(HSBB 1.8),SKF在追逐更高转速的竞争中一马当先,而转速是提升新能源汽车动力总成系统功率密度的关键所在。

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如今, 纯电和混动汽车的保有量正在快速增长。市场分析机构Bloomberg在其2020年展望中预测,到2030年市场上销售的乘用车辆中,新能源汽车占比将超过一半。科技的进步将会吸引到更多的新客户,同时还会带来更具竞争力的价格。该报告中还预测,电池的价格将会下降,充电时间和基础设施则会获得极大的改善。在新能源汽车市场降低成本和可持续发展方面,功率密度的提升同样十分重要。

奥地利汽车研究与咨询公司AVL与SKF携手合作,大力投资于高速技术领域,以研发用于新能源汽车的经济高效驱动解决方案。其新研发的高速电驱系统安装有SKF新推出的HSBB1.8(即用于电驱系统的高速球轴承1.8),输入轴的转速高达30,000 r/min。

“这是一项相当出色的成果,尤其考虑到当今新能源汽车的电驱系统的转速已达到12,000至14,000 r/min。下一代汽车的电驱系统转速将能够达到20,000 r/min。有些人认为让电驱系统转速达到30,000 r/min不可能实现,至少采用油脂润滑的钢球轴承无法实现。” AVL德国雷根斯堡公司负责电动汽车系统研发工作的Mathias Deiml说道。

SKF研发用于电驱系统的高速球轴承1.8。

效率更高,续航里程更远

得益于SKF HSBB 1.8能够让新能源汽车的电机实现更高速度,AVL现在可以提供体积更小、成本效益更高的电机,其效率更高且续航里程更远。Deiml希望这种新型电机可以让更多人选择新能源汽车。

他表示:“新能源汽车正在逐步进入千家万户。政府纷纷出台各种激励措施,促进新能源汽车的普及。汽车制造商迫切需要在续航里程、充电和费用方面提供更具吸引力的车型。但对于大多数消费者来说,新能源汽车的售价依然过高。”

电池仍然十分昂贵。电驱系统也是如此。“作为电驱系统领域的企业,我们高度关注电驱系统的价格。我们希望通过增加电机转速,在不降低功率输出的情况下缩小电机体积。” Deiml说道。

电机功率的计算公式为:扭矩 (Nm) x 速度(r/min) = 功率(kW)。如果提高速度,就可以在保持同等功率输出的前提下减少扭矩。Deiml解释道:“减少电机的扭矩可以减小电机的体积,从而提升新能源汽车整车的功率密度。使电机的重量从70公斤减少到35公斤,将会减少所使用的主要金属原料(如电动机大功率磁铁中的金属),并提高生产的可持续性。”

打造高效可靠的传动系统

在机械构造方面,新能源汽车的动力总成系统比燃油车辆更为简单。但想要打造一款高效可靠的电驱系统殊为不易。想要实现更高转速,新能源汽车减速箱中使用的轴承就必须达到更苛刻的标准。虽然电驱系统使用的轴承数量与传统汽车几乎相当,但技术方面的挑战则更为严峻。这些轴承必须能够承受住巨大的离心作用,且能减少快速转动产生的自发热现象,因此需要有专门的保持架设计、内部的几何形状以及润滑特性。制造商还需要轴承在车辆的设计寿命期间实现可靠运行,即预期寿命达到10年到15年,或者预期行驶里程数从当下的30万公里增加到50万公里,甚至在不久的将来达到更高。

SKF已经证实,这种轴承能够承受住我们规定的载荷和速度循环。
AVL电动汽车系统研发负责人Mathias Deiml

大约在两年前,AVL就开始研发新型的高速电驱系统,首要任务就是找到合适的轴承,其设计必须能够承受更高转速带来的巨大离心力。为此,AVL需要找到一个愿意研发新一代轴承的合作伙伴。从电动汽车革命启动之时起,SKF就在与汽车行业紧密合作,以应对新的挑战。因此,SKF显然是不二之选。

Deiml表示:“和SKF的合作成果斐然。我们经常交流各种信息、实验结果和分析结论,这些都大有裨益。此外,SKF已证实,这种轴承能够承受住我们规定的载荷和速度循环。”

AVL研发用于新能源汽车应用的高速电驱系统。

与SKF的密切合作

SKF新能源汽车应用技术中心位于法国Saint-Cyr-sur-Loire,Anthony Simonin是该中心的一名产品技术经理。通过与中国、法国和意大利的SKF产品研发与工程团队紧密合作,这支国际专家团队一直努力研发面向新能源汽车市场的产品SKF HSBB 1.8,这是一项振奋人心但又非常挑战耐心的任务。

Simonin表示:“首先要解决的瓶颈就是保持架问题。我们投入大量精力改进保持架设计,通过增强其硬度来确保它可以经受住急加急减的应用工况。”

在几个月的时间内,团队对各种不同的方案进行了模拟测试,最终确定了少数几个样件,送到雷根斯堡AVL实验室进行实际测试。

Simonin解释道:“第二个比较重要的任务是找到合适的润滑脂。我们有分别适用于高速旋转和高温环境的润滑脂,但没有可同时适用于这两种情况的润滑脂。在一家润滑脂供应商的帮助下,我们最终找到了可以满足所有要求的润滑脂。”

改进高速性能

在研发新型新能源汽车轴承时,速度不是唯一的挑战。在驱动电机变频器快速的电压变化率作用下,大大增加了电驱系统部件内产生寄生电流的风险。如果寄生电流经过传统的钢轴承,会损坏轴承表面,加大摩擦和振动,最终导致轴承过早失效。SKF混合陶瓷球HSBB 1.8轴承使用了陶瓷滚动体,提升了高速性能的同时也实现了一流的电流绝缘特性。

Simonin表示:“我们新推出的HSBB 1.8可以满足所有客户在高旋转速度方面的要求,确保电驱系统最高可以达到1.8M NDm*的速度系数。它可以实现更高的效率和更高的续航里程数,与增大电池尺寸的方法相比,成本更低。”

深受汽车行业的青睐

Simonin表示,汽车行业对这款产品表现出了极大的兴趣,产品推出后短短几天内,就收到了多个询价。他解释道:“SKF研发出可靠的解决方案,解决新能源汽车应用中的高转速问题。很高兴看到这款轴承应用于新能源汽车行业,这也是我期待看到的结果。”

搭配双电机的AVL高性能电驱系统已顺利通过测试阶段,并在测试汽车特斯拉Model S90上已证明其性能。电动汽车比传统的汽车更加安静,人们甚至可以察觉到动力总成系统产生的极微小噪声或振动。Deiml表示,该AVL高性能电驱系统也已经通过噪声和振动测试。

Deiml说:“我们已为量产做好准备。下一步就需要找到认可这一新技术的新能源汽车制造商。因为这项技术实在是太超前,效果令人难以置信。在驾驶过程中,你会明显地感受到加速度带来的推背感,完全无法想象这个电机居然这么小,让人不可思议。”

*N是轴承的速度上限(以“r/min”表示);Dm是轴承的内外径平均值(以“mm”表示)

AVL的高性能电驱系统应用于测试汽车特斯拉Model S90,充分证实了其出色性能。

高性能轴承

自汽车行业开启电动革命以来,SKF就一直支持汽车行业的发展。正因如此,SKF的轴承受到亚欧和北美众多OEM工厂的青睐,成为其电驱系统中的一部分。

SKF最近推出了新型高速球轴承1.8(HSBB 1.8),转速高达30,000 r/min*。该产品可以帮助汽车制造商提高电机转速,以实现更高效率和更长的单次充电续航里程。

对于新能源汽车制造商而言,供应链和工程能力必须高度匹配其制造和产品研发布局。SKF采用了全价值链方法,在产品研发、生产与测试方面投入大量资金,尤其侧重当地的新能源汽车市场。

全球管理咨询公司麦肯锡的研究数据显示,未来两年中,预计汽车制造商将推出450款新型的纯电/插电式混动汽车。SKF在技术、制造和供应链方面的杰出能力,足以满足新能源汽车行业快速发展的需求。

*轴承内部直径为40毫米、外部直径为80毫米,速度系数为1.8M NDm,相当于30,000 r/min。